汽车热设计：全面解析与指南

车辆的电子控制单元 (ECU) 及其元器件变得日益复杂，使得生产高能效环保汽车的挑战性愈来愈大，成功的热设计 对于制造商而言至关重要。

背景简介

车辆的电子控制单元 (ECU) 及其元器件变得日益复杂，并且包含多种错综复杂的任务。为了生产高能效环保汽车，必须花费更多时间并投入更多精力。成功的热设计对于制造商而言至关重要。驱动此类车辆系统的集成电路 (IC) 或场效应 晶体管 (FET) 的结温必须落在保证的温度范围内。由于无法直接测量结温，工程师通常基于假定的表面测量温度来预测电子元件的结温，并且设置较大的设计 裕量。为了应对当前市场环境，务必要保证质量，优化设计裕量，实现整体成本效益。

DENSO Corporation (DENSO) 是一家行业领先的汽车产品供应商，专为全球大型汽车制造商设计和生产高级汽车控制技术、系统和元器件。DENSO 成立于 1949 年，总部位于日本刈谷，运营足迹遍及 35 个国家，在全球拥有约 170,000 名员工。DENSO 的电子系统业务部供应发动机、传动装置和电力管理电子控制单元 (ECU) 以及半导体传感器、集成电路与功率模块 。我曾和电子工程第 2 分公司技术规划 部项目副经理 Takuya Shinoda 见面，讨论 DENSO 如何利用热仿真来大幅缩短设计时间并降低设计成本。在这方面，他负责电子控制单元的热设计。Shinoda 对于机械和电气学科都很了解。他表示：“热设计横跨机械和电气学科。热管理主要是一个机械问题，但热量是硅产生的，所以也有必要了解电子学科，这样才能做好热设计。

通过仿真节省设计时间和成本

Shinoda 在一次展会上第一次见识了电路板 的流体流可视化，于是他从 2006 年开始寻找热设计工具。DENSO 通过严格的基准测试 过程，选中了 Simcenter™ Flotherm™ 软件，将其用于热设计流程 。在 DENSO 开始使用热仿真之前，他们必须建造一个用于早期阶段温度测量的 ECU 物理样机。于是，为了进行为期一天的测试，需要做 2 到 3 个星期的准备。在最终确定产品之前，此过程可能要重复好几次。从 2006 年开始，DENSO 便不断增加仿真技术的使用，以减少在物理样机上花费的时间和成本。到 2009 年，仿真技术 与物理样机的比例为 20:80；到 2010 年，这一比例增加到了 50:50；而到 2012 年，这一比例高达 70:30。在不到六年的时间里，这一变化使得热设计相关的时间和成本减少了 50%。DENSO 计划将此比例提高到 90:10。

集中热技术

DENSO 通过集中热技术，并在整个公司内推广此专业知识，成功地将热分析引入到制造流程中。通过倾听各个设计部门的需求，Shinoda 的热设计部门利用热仿真来提高散热效率，从而快速改善设计质量。在热设计中，设计师往往专注于通过改变壳体的外形因数来改善散热效果。通过在热设计团队成员之间共享壳体设计和电子设计，他们实现了最佳效果。DENSO 决定使用现有的元器件模型。机械团队构建了一个 更小的壳体，电路设计 团队按照新的规格重新设计了 10% 至 20% 的电路，而测量团队则测量了用于热分析 的温度。通过这种协作，DENSO 在两天的时间内创建出了有效的产品热模型。

仿真精度提高

除了摆脱物理样机之外，测量在 DENSO 的热设计流程中也扮演了重要角色。为了支持热仿真，DENSO 采用 Simcenter™ T3STER™ 硬件来提取在系统内的 ECU 元器件和热学界面热阻的特征。Simcenter T3STER 的数据精度很高，它使 DENSO 得以提高热仿真的精度，并使其更加坚信仿真的可信度。Simcenter T3STER 测量数据被返回至 Simcenter FlothermTM 软件，用于改善设计期间的结温预测精度，从而确保结温绝对不会超过所允许的 限制范围。这是一个挑战，需要仿真模型具有高可信度。 当前，结点温升吻合水平在实验值 10% 范围以内，DENSO 力争将吻合水平提升到 5% 以内。

Shinoda 表示：“JEDEC JESD51-14 标准发布于 2010 年， 其精度和可重复性要求远远超过了旧标准的稳态测量 要求。Simcenter T3STER 是市面上唯一符合此新标准，能够对热阻 和结温进行精确估算的产品。此外，Simcenter T3STER 还有一项独特的功能，可利用结构函数 根据测量数据生成简单精确的元件模型。”Simcenter Flotherm 已成为 DENSO 的一个主要工具，被广泛应用于整个热设计流程中。凭借高精度的封装热模型、材料属性数据以及利用 Simcenter T3STER 测得的界面热阻值，Simcenter Flotherm 帮助 DENSO 在其热设计中实现了 90% 以上的虚拟化 ，减少了 50% 以上的开发时间和成本，预计将来还会节省更多时间和成本。